（控制理论与控制工程专业论文）基于定子磁通及速度辨识的直接转矩控制系统的研究.pdf

基于定了磁通度转速辨识的直接转矩拄制拇制系统的础究 摘要 随着电力电子技术和计算机技术的飞速发展，交流电气传动已正在逐步替代 传统的直流电气传动系统。交流电机控制技术具有代表性的有调压调频控制、转 差频率控制、磁场定向控制( 矢量控制) 以及随后出现的直接转矩控$ 1 1 ( d t c ) 等。 直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后发展起来的又一种高性能的交流调速 技术。它具有结构简单、动态转矩好、鲁棒性好和易于数字化控制等优点。 本文在建立交流电动机数学模型的基础上，首先分析了直接转矩控制的原 理，在此基础上探讨直接转矩控制中磁链估算的方法。深入研究了传统d t c 控制 采用的定子磁链观测方法的局限性，提出实现高性能的d t c 控制的关键环节是实 现对电机磁链的准确观测。对磁链的观测采取了改进的“i 积分器，并提出了一 种新型的定子磁链m r a s 自适应观测器，以定予电流作为比较信号，结构简单， 能有效地辨识定子电阻，从而真正有效地估计定子磁链和速度。 无速度传感器是当今电机控制领域的研究热点，本文讨论了几种基本的电机 转速估算方法，特别是基于m r a s 的速度辨识方法，由于其具有较好的鲁棒性， 受电机参数变化影响小，很有研究价值。本文对此作了深入研究，提出一种新的 带滤波的m r a s 速度辨识方法数学模型。 为了验证包含本文提出的磁链估算模型和速度辨识模型直接转矩控制系统 的可行性和有效性，本文利用m a t l a b s i m u l i n k 完成仿真试验并对仿真的结 果进行了理论分析。 在以上理论分析的基础上，论文最后设计了以d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核 心的控制系统的硬软件部分，实验结果进一步证明了本文所提出方法的有效性。 关键词： 直接转矩控制、异步电机、模型参考自适应、无速度传感器。 a b s t r a c t w i t ht h eh i g hs p e e dd e v e l o p m e n to f p o w e re l e c t r o n i c sa n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y ， a ce l e c t r i c i t yt r a n s m i s s i o ns y s t e m sa r er e p l a c i n gd co n e ss t e pb ys t e p t h et y p i c a l t e c h n o l o g yf o ra cm o t o rc o n t r o lh a sv v v f ，v s v f ，v ca n dd t ce t c d i r e c tt o r q u e c o n t r o l ( d t c ) o fa s y n c h r o n o u sm o t o r s ，w h i c hh a sb e e nd e v e l o p e di nt h er e c e n t d e c a d e s ，i sap o w e rc o n t r o lm e t h o df o rm o t o rd r i v e s f o l l o w i n gt h ev e c t o rc o n t r o l t e c h n i q u e ，t h eq u i c kd e v e l o p m e n to fd t cm a k e si t s e l fan e wh i g h p o w e r e d a l t e r n a t i n gc u r r e n t ( a c ) d r i v i n gt e c h n i q u ep a r a l l e l i n gt ot h ev e c t o rc o n t r 0 1 t h e d t cs y s t e mh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l er e a l i z a t i o na n de x c e l l e n td y n a m i c r e s p o n s ea n dp e r f e c tr o b u s t n e s se t c i nth i sp a p e r ，d t co fa s y n c h r o n o u sm o t o rw a si n t r o d u c e db a s e do na n a l y z i n g a cm o t o rm a t h e m a t i cm o d e l ，a n dd i s c u s s e dt h em e t h o d st oo b s e r v a t i o no ff l u x l i n k a g e ，p r o p o s e dm e a s u r e s t o i m p r o v et h e “一ii n t e g r a lm o d e l a n a l y z i n gt h e l i m i t a t i o no fm e t h o dt oo b s e r v et h es t a t o rf l u xl i n k a g eo ft r a d i t i o n a ld t c i n d i c a t e d t h ek e ya p p r o a c ht oa c h i e v ei m p r o v e m e n tf o rd t c p r e f e r m e n ti st oo b s e r v et h ef l u x l i n k a g ea c c u r a t e l y t oa c h i e v ei tt h ea u t h o re s t a b l i s h e dan e wo b s e r v a t i o nf l u x l i n k a g eb a s e do nm r a s ( m o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v es y s t e m ) ，w h i c hc h o o s et h e s t a t o rc u r r e n ta sc o m p a r i n gs i g n a la n dc a ne f f e c t i v e l ye s t i m a t et h ef l u xl i n k a g ea n d r o t a t es p e e dw i t hs i m p l ec o n f i g u r a t i o n t h es p e e de s t i m a t i o nw i t hs p e e ds e n s o r l e s si sa ni m p o r t a n tt r e n do fm o d e r na c d r i v e t h i st h e s i sh a sd i s c u s s e ds e v e r a lp r i m a r ya l g o r i t h mo fs p e e de s t i m a t i o na n d e m p h a s i z e do nt h ea l g o r i t h mo fs p e e de s t i m a t eb a s e do nm r a s i tw o r t hr e s e a r c h i n g d u ot oi th a se x c e l l e n tr o b u s t n e s sa n dl i t t l eb ee f f e c t e db yt h ep a r a m e t e ro fm o t o r t h ea u t h o ri m p r o v e dt h et r a d i t i o n a lm o d e la n db r i n gf o r w a r dan e wa l g o r i t h mw i t h f l i t e ro fs p e e de s t i m a t eb a s e do nm r a s ， t ov e r i t yt h et h e o r yi sr i g h ta n dp r a c t i c a l ，t h i sp a p e ra c h i e v e st h es i m u l a t i n g t e s tw h i c hi n c l u d i n gs t a t o rf l u xl i n k a g em a r sm o d e l sa n ds p e e de s t i m a t eb a s e do n m r a sd t c s y s t e m ，a n da n a l y s e st h er e s u l to ft h et e s t i nt h el a s tp a r to ft h ep a p e rd e s i g n e dt h eh a r d & s o f t w a r ef o rt h ed t c s y s t e m w h i c hb a s e so nt h ec e n t r a ld s p c h i po ft m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，t h er e s u l t so ft h ex p e r i m e n t f a r t h e r l yc e r t i f i e dt h em e a s u r e sa p p l i e di nt h ep a p e ri sf e a s i b l ea n dr i g h t k e yw o r d s ：d t c ，a s y n c h r o n o u sm o t o r ，m r a s ，s p e e ds e n s o r l e s s 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期：洲年酎月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 i 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：游吁月f7 日 i e i 期：辟f 月f 分f 1 基十定了磁通及转速辨识的直接转矩拄制控制系统的酬究 第1 章绪论 1 1 交流电机直接转矩技术概述 现代电机控制的发展，一方面要求提高电机性能、降低损耗、减少成本，另 一方面又不断地提出技术指标以及苛刻的特殊应用的系统需求。随着电力电子技 术和计算机技术的飞速发展，交流电气传动已正在逐步替代传统的直流电气传动 系统。交流电机控制技术具有代表性的有调压调频控制、转差频率控制、磁场定 向控制( 矢量控制) 以及1 9 世纪8 0 年代中期出现的直接转矩控制等。微电子技术和 计算机技术的飞速发展，以及控制理论的完善和仿真工具的日渐成熟，给电机控 制技术的发展带来了许多契机。 自1 9 7 1 年德国西门子公司的f b l a s c h k e 提出异步电动机的矢量控制技术理 论，使交流电动机的调速控制理论获得第一次质的飞跃。德国鲁尔大学的 d e p e n b r o c k 教授于1 9 8 5 年首先提出异步电动机直接转矩控制方法【2 】；1 9 8 6 年日本 学者t a k a h a s h i 提出了圆形磁链的直接转矩控制 3 1 。直接转矩控制是一种更先进的 控制技术，它不需要解耦电机模型，强调对电机的转矩进行直接控制，在维持定 子磁链幅值恒定的同时，通过调节零矢量的作用时间以调整定子磁链在空间的旋 转速度，就可以改变瞬时转差频率达到控制瞬时转矩的目的。在很大程度上克服 了矢量控制的缺点，成为交流电机调速控制理论第二次质的飞跃。直接转矩控制 从一诞生，就以新颖的控制思路。简洁明了的系统结构，优良的静动态性能受到 人们的普遍关注。目前直接转矩控制理论已成为国内外的研究热点，可以预见以 直接转矩控制理论和无速度传感器的转速估算理论构成的交流调速系统，将成为 交流电气传动的主要发展方向之一。与经典矢量控制相比，直接转矩控制有以下 几个主要特点： ( 1 ) 直接转矩控制在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机 的磁链和转矩。它不需要像矢量控制那样将交流电动机与直流电动机作比较等效 和转化，既不需要模仿直流电动机控制，也不需要为解藕而简化交流电动机的数 学模型。它省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。因此，它所需要的信号处 理工作特别简单，所用的控制信号使观察者对于交流电动机的物理过程能够做出 直接和准确的判断。 ( 2 ) 直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，只要定子电阻就可以把它观 测出来。而经典的矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道 碗上学位论文 电动机转子电阻和电感。因此，直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性 能易受参数变化影响的问题。 ( 3 1 直接转矩控制采用空间电压矢量的概念，并将控制策略与逆变器相结合。 与著名的矢量控制的方法不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩， 而是把转矩直接作为被控量，直接控制转矩。因此，它并非极力获得理想的正弦 波波形，也不专门强调磁链完全理想圆形轨迹。相反，从控制转矩的角度出发， 它强调的是转矩的直接控制效果，因而它采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹 或近似圆形磁链轨迹的概念。 f 4 ) 直接转矩控制技术对转矩实行直接控制。其控制方式是，通过转矩两点 式调节器把转矩检测值与给定转矩值进行滞环的比较，把转矩波动限制在定的 容差范围内，容差的大小，由滞环调节器来控制。因此它的控制效果不取决于电 动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况，它的控制既直接又 简化。对转矩的这种直接控制方式也称为“直接自控制”。这种“直接自控制”的思 想不仅用于转矩控制，也用于磁链量的控制和磁链自控制，以转矩为中心来进行 综合控制。 综上所述，直接转矩控制在很大程度上克服了矢量控制的复杂性，它的系统 结构简单，控制思路新颖，并具有良好的控制性能，是一种具有高静、动态性能 的交流调速方法。己成为现代交流传动界的研究热点，该技术己成功应用在电力 机车牵引的大功率交流传动上，1 9 9 5 年a b b 公司开始推出直接转矩控制的变频器 产品。直接转矩控制技术虽然具有前面所述的诸多优点，但是目前直接转矩控制 技术在理论上尚不成熟、不够完善。还存在低速转矩脉动缺陷，低速区定子电阻 的变化引起的定子电流和磁链的畸变，磁链观测模型的不精确，无速度传感器实 用化困难等。这些问题一直阻碍着直接转矩控制系统的进一步发展。为了进一步 提高控制系统的动态性能，新的控制策略和控制手段目前己成为交流传动界的研 究热点。本课题主要围绕减小直接转矩控制系统的低速转矩脉动，研究磁链观测 模型和电机速度辨识方法，研究减少转矩脉动的控制策略，实现基于d s p 的无速 度传感器的直接转矩控制系统。该方面的研究对直接转矩控制系统的发展以及交 流调速的发展都具有较强的理论意义和应用价值。 1 2 交流电机控制系统的国内外研究现状 1 2 1 交流电机的控制策略 电压频率恒定控制是从电机稳态方程出发研究其控制特性，但由于交流电 机是一个多变量、非线性的被控对象，所以，这种方法的动态控制效果不是很理 2 基于定了磁通及转速辨识的直接转矩控制控制系统的研究 想。2 0 世纪7 0 年代初提出了用矢量变换方法研究电机的动态控制过程，不但控制 各变量的幅值，而且也控制其相位，并利用状态重构和估计的现代控制概念，巧 妙地实现了交流电机磁链和转矩的重构和解耦控制，从而促进了高性能交流控制 系统走向实用化。目前，国内外采用矢量控制技术的变频器己在轧机主传动、电 力机车牵引系统和数控机床等广泛的应用领域获得了成功的应用。此外，为解决 系统复杂性和控制精度之间的矛盾，又提出了一些新的控制方法，如直接转矩控 制、电压定向控制和矢量转矩控制等。 ( 1 ) 转速开环电压频率比恒定控制 这种方法是从保持定子磁链恒定的变压变频的基本方式出发，同时也是交流 调速系统的一种最简单的控制方法。由于该方法只依据电机的稳态数学模型进行 控制，控制系统很简单，故为普通型通用变频器所采用，特别适用于没有高动态 性能要求的交流调速系统，如风机、水泵等。由于这种方法不含有电流控制，必 须具有给定积分环节，以抑制起动时的电流冲击，积分时间常数可视具体要求进 行相应的调整，以供不同负载需要。 ( 2 ) 基于稳态模型的转速闭环转差频率控制 由交流感应电机的稳态模型可知，当稳态气隙磁链保持恒定时，电磁转矩与 转差频率近似成正比关系【4 ”。如果能保持转子磁链恒定，则电磁转矩与转差频 率完全成正比关系，所以控制转差频率就相当于控制转矩。当给定转羞频率时， 定子频率信号。随着实际转速，增长或降落，从而得到平滑稳定的调速，保证较 宽的调速范围。但由于这种方法只依据了电机的稳态模型，其动态控制性能不是 很理想。 ( 3 ) 磁场定向控制 根据感应电机的动态数学模型，对电机的磁链进行定向，可以将定子电流分 解为励磁分量i 埘和转矩分量i 。得到类似于直流电机的转矩模型。根据定向系统 的不同，可以将磁场定向控制分为两大类，即定子磁场定向与转子磁场定向。当 前磁场定向控制研究的重点有： 1 ) 克服电机转子参数对控制系统性能的影响，这方面的研究主要集中在 参数的在线估计和补偿方面 7 - 1 3 2 ) 新的磁场定向控制方法1 1 4 3 ) 无速度传感器控制方法1 5 。2 2 1 4 ) 稳定性分析2 3 2 5 】 在磁场定向控制中，磁场定向的准确性是其性能发挥是否可靠的前提。遗憾 坝七学位论史 的是，在转子磁场定向控制系统中，磁通定向角的计算与转子参数有关，因此对 转子参数的辨识与补偿是今后需要努力解决的问题之一。在定子磁场定向系统 中，由于对电压进行积分计算磁链会有零漂存在，通常采用的措施是先计算转子 磁链，再通过转子磁链计算出定子磁链，可以避免零漂和积分饱和作用。 ( 4 ) 直接转矩控制 直接转矩控制思想是1 9 7 7 年由p l u n k e t t 首先提出的1 4 1 ，当时只是需要直接检 测定子磁链。直n 2 0 世纪8 0 年代中期，一种新的电机转矩控制技术分别由德国鲁 尔大学教授d e p e n b r o c k 弄t 1 日本著名学者t a k a h a s h i 研究出来，并分别称之为直接转 矩控制 2 1 ( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，简称d t c ) 和直接自控制1 3 1 ( d i r e c ts e l f c o n t r o l ，简 称d s c ) 。直接转矩控制技术受到了普遍的注意并得到了迅速的发【2 7 3 1 ，4 3 1 。 直接转矩控制直接在定子坐标系中分析交流电机的数学模型，实现对电机磁 链和转矩的自调整控制这种方法不需要将交流电机与直流电机作比较、等效、 转化处理，从而省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。因此，它所需要的信 号处理工作特别简单，所用的控制信号使观察者对于交流电动机的物理过程能够 做出直接和明确的判断。直接转矩控制所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就 可以把它观测出来。这样很好地解决了矢量控制技术中控制性能易受转子参数变 化影响的问题。 定子磁链观测的准确性，可以说是d t c 技术实现的关键”2 1 要素。因为定子 磁链无论其幅值还是相位，若出现较大的误差，控制性能都会变坏，甚至出现不 稳定1 3 “。在减小转矩的波动方面，文献 3 4 】采用空间矢量调制的方法实现恒定的 开关频率，并取得了明显的效果。文献 3 5 1 的作者认为由于定子磁链和转矩的估 计延迟，即使采用零滞环控制也无法真正提高传统d t c 的开关频率，该文作者将 一种抖动技术引入传统的d t c 中，利用高频小幅值的三角波调制磁链和转矩控制 坏的误差，有效地提高了逆变器的开关频率，并使得定子磁链和转矩的脉动比传 统d t c 减4 、3 0 左右，同时也减小了在整个速度范围内的嗓声。文献【3 6 】利用电 机转矩的瞬时表达式推导出了电机转矩脉动的均方根计算式，分析有效电压矢量 与零电压矢量分别对转矩产生的作用，计算出在一个控制周期内需要加在定子绕 组上有效电压矢量时间与零电压矢量时间，也可以有效地减小转矩的脉动，但该 方法的不足是计算复杂，采用数字化控制难以满足实时控制的要求。而在文献 3 7 1 中采用三电平逆变器实现更多的有效电压矢量，但这种方法在减小转矩脉动与电 流谐波的同时，由于所需要的开关器件多，使系统的主电路变得复杂，不仅增加 了成本，而且系统在可靠性方面也有所降低。意大利d o m e n i c oc a s a d e i 等学者认 为有限的电压矢量、转矩与磁链滞环的宽度以及电压矢量的选择方式是造成转矩 脉动与电流波动的主要原因 3 8 1 ，并进一步论证了同一电压矢量在电机运行于高 4 犟于定子磁通及转速辩识的直接转矩控制控制系统的研究 速和低速时会产生不同的影响。基于此，在不增加功率电路复杂性的情况下，通 过离散空间矢量调制的方法，将一个控制周期等分为三段，每一个控制周期就可 以采用三个不同的基本电压矢量来合成一个新的电压矢量，并根据不同的转速范 围，构成更为精细的电压矢量开关表，实践证明，在减小转矩脉动与电流谐波上， 这种方法具有明显的效果。但是这种方法实质上是增加了开关频率，相当于减小 了控制周期，在大功率场合或对开关损耗有严格要求的应用领域受到一定程度的 限制。另外，将智能控制应用于直接转矩控制也进行了深入的研究，其主要方法 有将模糊控制应用于开关表的选择 3 9 , 4 0 】，用神经网络的方法实现对定子磁链及 定子电压的在线估计1 4 ，并取得了一定效果。大量文献对d t c 的低速进行了深 入的研究，主要集中在低速下对定子磁链的估计、定子参数的估计以及减小转矩 脉动等方面。 ( 5 ) 非线性控制 传统直接转矩控制与磁场定向控制都已经获得广泛的应用，但是它们都只是 从物理关系上构成转矩与磁链的近似解耦控制，没有或较少应用控制理论。从本 质上看，交流电机是一个非线性多变量系统，宜在非线性控制理论的基础上研究 其控制策略，以真正揭示问题的本质。将非线性控制用于感应电机，其根源是在 8 0 年代初非线性系统的微分几何控制理论取得突破性的进展，其详细的情况可见 s i d o r i 的著名著作【4 4 】。其主要内容是通过非线性坐标变换及非线性反馈( 状态非 线性反馈及动态非线性反馈) ，使之大范围的完全线性化，以及完成输入、输出 解耦，干扰解耦等。经过近十多年的不懈的努力，非线性状态反馈控制理论己经 取得了显著的进展【4 5 48 1 ，特别是反馈线性化和输入一输出解耦技术己在应用中 得到了证明，甚至在理论全面发展之前就己应用了。在非线性反馈控制理论全面 发展之前，就提出了感应电机控制的非线性状态空间坐标变换和非线性状态反馈 以便获得速度和磁链幅值的渐近解耦控制( 即所谓的磁场定向控制) 。在文献 4 9 】 中，使用了五阶模型，通过静止状态反馈控制器，可以达到速度和磁链幅值的完 全解耦控制，而且使用了简化模型，并对电磁部分进行了建模，假设速度是一慢 变参数，并分别通过动态( 二阶) 补偿器和静止状态反馈补偿器来获得电磁转矩和 磁链幅值的完全解耦控制。 ( 6 ) 自适应和滑模变结构控制 在电机动态数学模型的基础上，采用解耦合后的线性控制或非线性控制可以 构成高性能的控制系统，进一步需要解决的是如何提高系统的鲁棒性，以克服参 数变化和各种扰动的影响，为此自适应控制便成为重要的研究课题。近2 0 年来， 主要采用的自适应方法有模型参考自适应控制和参数辨识自校正控制5 舢5 引，以 硕士学位论文 及各种非线性自适应控制【”】。但辨识和校_ i f 本身都要有一个过程，对于因温度 变化导致电阻变化这类较慢的参数来说，还可以起到校正作用，而对于其较快的 影响因素，就难以得到很好的动态效果。 变结构控制理论是近3 0 年来发展形成的理论，其实质也是一种自适应的非线 性控制。主要特点是：根据被调量的误差及其导数，有目的地使系统向着设计好 的“滑动模态”轨迹运动，与被控制对象的参数和扰动无关，因而使系统具有很好 的鲁棒性，如对系统的摄动和干扰具有完全的自适应性，它不仅适用于线性系统， 而且适用于非线性系统、不确定系统及跟踪系统等。近年来人们在将变结构理论 用于交流电机控制方面作了大量的研究，并取得了比较好的效果。由于变结构控 制方法不需要任何在线辨识，所以很容易实现，但是它本质上是一种开关控制， 在系统中不可避免地带来“抖动”问题，如何削弱抖动又不失系统的鲁棒性，也是 目前研究的主要问题。 ( 7 ) 智能控制 近年来围绕着矢量控制存在的问题，如系统结构复杂、非线性和电机参数变 化影响系统性能等，国内外学者进行了大量研究，这些研究使系统性能获得了很 大的改善，但它们仍然是建立在对象精确数学模型的基础上，需要大量的传感器、 观测器使系统结构复杂，有的还无法摆脱电机模型的非线性和电机参数变化的影 响，因而需要进一步探讨解决这类问题的方法和途径。近年来智能控制研究非常 活跃，已在许多领域获得了应用。由于智能控制无需对象的精确数学模型，并在 处理不精确性和不确定性问题中获得可处理性、鲁棒性。因而许多学者将智能控 制方法引入电气传动控制，认为它在功率电子和运动控制中的应用具有非常好的 前景。智能控制主要包括模糊逻辑控制、专家系统控制、神经网络控制和遗传算 法等方面的内容。这些方法都在功率电子和运动控制中得到了广泛的应用，其中 模糊控制和神经网络控制特别受到国内外学者的关注，研究异常活跃，取得的成 果也十分丰富。目前进行的主要研究工作有： ( 1 ) 参数的辨识与估计1 。 ( 2 ) 基于智能控制的p w m 控制器和开关函数的发生器f 5 “。 ( 3 ) 与其它控制模式的结合。 智能控制是一种高效的控制方法，由于这种方法是常规控制策略不能替代 的，因而在各种领域中得到了广泛应用但将智能控制用于感应电机控制系统的 研究还刚刚起步，尽管也取得了一些成果，但还存在着一些有待进一步研究的问 题，如系统的稳定性分析、控制精度的评价等。 6 1 2 2 交流电机的无速度传感器控制 一般来说，为了满足高性能交流传动的需要，转速闭环控制是必不可少的。 文献 5 7 】对几种感应电机无速度控制策略进行了评论。这些没有使用速度编码器 获得感应电机速度信息的不同技术可以大致划分为以下两种： ( 1 ) 带转差补偿的开环速度控制。 ( 2 ) 带速度估计的闭环控制。 但由于速度传感器的安装带来了系统成本增加、体积增大、可靠性降低、易 受工作环境影响等缺陷，使得成本合理、性能良好的无速度传感器交流调速系统 成为近年来的一个研究热点。 ( 1 ) 转差频率计算方法 转差频率是电气频率与转子机械频率之间的差值，通过计算转差频率与电气 频率，可以确定转子的速度。计算电气频率有两种方法：其一是通过定子磁链分 量计算得到，其缺点是在动态过程中会出现较大的波动；其二是通过转子磁链分 量计算得到，由于转子电气时间常数较大，即使在定子磁链走走停停的情况下， 也能得到比较均匀的旋转速度，计算出的电气频率也比较均匀，动态过程中不会 出现波动。在这类无速度传感器实现方法中，计算转差频率的主要方法有以下几 种： 1 ) 利用反电势计算。 2 ) 利用电机输出转矩与转予磁链进行计算。 3 1 基于定子磁场定向进行计算。 其中利用反电势计算的方法主要应用于间接转子磁场定向系统中，由于在低速 时，反向电势很小，计算出的转差速度也不够精确，所以这种方法的低速性能不 理想。利用电机输出转矩与转子磁链的方法主要应用于直接转矩控制系统中，这 种方法需要通过定子磁链计算出转子磁链的幅值，但由于在定子磁链的积分计算 过程中，零漂会对系统的低速性能有较大的影响，同时转予电阻也影响到系统的 控制精度。 ( 2 ) 基于观测器的速度估计 研究磁场定向控制策略的主要假设是首先知道转子磁链的确切值，因此，这 些控制器的鲁棒性主要依赖于转子磁链的完整信息。当转子磁链不能直接测量 时，提出了许多利用各种类型观测器来估计转子磁链的方法。这些观测器在导出 坐标变换所需要的转子磁链参考角度的过程中发挥了重要作用。文献 6 0 】提出了 用降阶的状态观测器估计转子磁链，并利用电压模型和电流模型估计磁链，然后 硕士学位论文 根据这两个模型输出的差值来估计速度。在计算中，由于纯积分器的引入将引起 初值和漂移问题，通常采用低通滤波器代替积分器，利用可任意配置极点的状态 观测器，提出了速度估计策略，该策略可应用于直接磁场定向控制，甚至在低速 区也能取得较好的效果。 ( 3 ) 基于模型参考自适应( m a r s ) 方法的速度估计 在模型参考自适应系统中，对两个估计器的输出进行比较，不涉及被估计量 ( 在这种情况下是转速) 的估计器被当作是感应电机的参考模型，另一个是涉及到 转速估计量的可调模型。两个估计器所获得估计量之间的差值用于导出合适的自 适应机构，并用于可调模型的转子速度估计。参考模型代表感应电机，而可调模 型将是理想的矢量控制感应电机模型，在可调模型中转子速度被认为是参数，当 被估计的转子速度在可调模型中按一定的方式变化，以使参考模型输出和可调模 型输出之差为零时，估计出的速度将等于实际的转子速度。这种将误差信号作用 于转予速度辨识的算法，可以实现快速和稳定的转子速度辨识。 ( 4 ) 利用扩展卡尔曼滤波器的速度辨识 己知被测量，如定子电流和直流环电压，可用扩展k a l m a n 滤波器方法来实 现对电机速度和转子磁链的同时辨识。扩展k a l m a n 滤波器的优点是：当输入信号 被噪声污染时，通过选择合理的增益矩阵可获得较优的估计效果。一般来说，扩 展k a l m a n 滤波不是最优的，相对其它方法，其计算量也非常大，并且这种方法 的估计结果与电机模型参数密切相关，所以，用扩展k a l m a n 滤波器来实现对电 机速度的估计离实际应用还有一段距离。 ( 5 ) 基于神经网络的速度估计 神经网络因其自学习功能、非线性特性、快速的并行计算能力和较好容错性， 已成为目前的一种很有吸引力控制方法。由于交流电机是一个非线性、强耦合的 系统，因此将神经网络技术应用子交流调速系统中的速度估计是一种较理想的方 法，且具有比较好应用前景。 1 2 3 直接转矩控制技术研究热点 直接转矩控制技术经过二十年的发展，各方面性能都在不断提高，并已进入 实用阶段，国外目前己成功应用于大功率高速电力机车、地铁和城市有轨电车的 主传动系统中，例如，穿越英吉利海峡的高速列车采用的就是这种控制系统。德 国和只本在这方面的研究居于领先的地位。但是直接转矩控制作为一种诞生不久 8 基于定于磁通及转速辨识的直接转矩控制控制系统的研究 的新理论、新技术，自然又有其不完善、不成熟之处，有些问题甚至成为它发展 难以逾越的障碍。正是由于以上原因，直接转矩控制技术成为当今世暴研究的热 点之一。下面介绍直接转矩控制技术的几个研究热点。 ( 1 ) 定子磁链补偿和定子电阻辨识 直接转矩控制技术还存在很多难题，尤其是定子电阻的辨识问题，己经成为 它进一步发展的障碍，困扰着各国的学者。定子电阻r s 的变化带来一系列问题， 特别是定子电流和磁链的畸变，到了十分严重的程度。这方面的研究工作仍在继 续进行，文献【1 8 ，1 9 】给出了一种低速区对定子磁链甲s 进行补偿的措施，使磁链 的u i 模型的表达式中不含r s 。从结果看q s 得到一定的补偿，但却引入了r r 的影 响，不能从根本上解决问题，效果仍不理想。文献2 l ，2 7 从另一个角度提出了解 决办法，叠加一个方波信号( 5 0 0 h z ) 于转矩比较器的输入端，从而改善定子电流 和磁链的波形，消除畸变，效果十分显著，保证了起动和零速区运行的鲁棒性。 从上述问题来看，如果能对定子电阻进行辨识，就能从根本上消除定子电流和磁 链畸变，问题就迎刃而解。文献【4 l 】提出了一种在线辨识感应电动机定子电阻的 方法，它从电机的数学模型出发，经过各种数学变换和运算，计算出r s ，从求 解过程看，此方法的弊病在于要用到较多的电机参数，对参数的依赖性较大，而 且实现比较复杂。由以上可看出辨识r s 是相当困难的。实践证明，从电机本身 出发来完善直接转矩控制技术己经是不可能的了，必须另辟途径。现代控制理论 的发展应用为交流调速电气传动系统的控制提供了坚实的理论基础，各国的学者 也越来越多地把现代控制技术应用于交流电机的调速中。直接转矩控制作为一种 新兴的、更先进的技术，需要各种先进的辅助技术作支撑，各种新技术的推广应 用给直接转矩控制技术注入新的活力，促进它的不断完善和发展。最近，人工神 经网络已开始应用于直接转矩控制的定子电阻辨识中，这是一个有益的尝试，也 是一个良好的开端。将现代控制理论应用于直接转矩控制技术的研究，无疑是这 种新技术的发展趋势，也是当代值得深入研究的谍题。 ( 2 ) 转速辨识 直接转矩控制本身不需要转速信息，但为了精确地控制转速，还是应该进行 转速闭环。以往是安装转速传感器进行速度反馈，不仅增加了成本，而且降低了 系统的稳定性和可靠性。实际应用时，有些场合根本不能安装转速传感器，有时 甚至找不到转速反馈异步电机直接转矩控制技术的理论研究的位置。因此，很有 必要进行转速辨识。文献【3 0 】从v 。，岍和。的关系入手，推导出一个简单的转速 估算公式，仅需定子电压和电流就可计算转速。但这只适用于中高速以及系统动 态速度性能要求不高的场合。卡尔曼滤波用于估算电机转速，仍是十分有力的工 硕士学位论文 具。实验表明，转速估算值与实际值非常接近，既使在极低速情况下，估算误差 仍很小，但随电机参数变化而变大，需要考虑温度对参数的影响，应用受到限制。 模型参考自适应方法( m r a s ) 也己被用于辨识电机转速，日本的h k u b o t a 用此方 法先后实现了定、转子电阻和电机转速的辨识。由上述可以看出，直接转矩控制 未来的发展方向主要在以下两个方面： 1 ) 无速度传感器的直接转矩控制系统的研究。 2 ) 与智能控制相结合，这将使交流调速系统的性能有一个根本的提高，是 直接转矩控制技术的未来。 现在，直接转矩控制已不仅仅应用于交流异步感应电机，它也开始应用于永 磁直流电机。相信在不久的未来，直接转矩控制必将在电机调速的各个方面发挥 更大的作用。 1 3 计算机技术在现代交流调速中的应用 随着微电子技术的发展，微处理芯片的运算能力和可靠性得到很大提高，这 使得以单片机和数字信号处理器( d s p ) 为控制核心的全数字化控制系统取代以前 的模拟器件控制系统成为可能。 1 3 1 控制技术以及微处理器的发展 电力电子系统的控制要求有多种不同特性的功能模块，比如：数字滤波、整 形、参数测量与辨识、驱动信号产生、监控、保护等。在很长一段时间，这些功 能的实现主要依靠模拟技术，即利用硬连接方法实现。控制电路的结构采用运算 放大器、非线性集成电路以及数字集成电路等，其中，数字集成电路特别适合于 在变换器控制电路中实现时序或组合逻辑功能。在现代的交流调速系统中，由模 拟电子电路构成的模拟控制己不能适应复杂的控制策略和大量数据计算的需要， 由微处理器为核心的数字控制已经成为交流调速控制系统的主要形式。在电力电 子系统的控制领域，可选用的微处理器种类很多，诸如通用的微处理器、微控制 器和些更先进的处理器( d s p ，r i s c 处理器、并行处理器1 。超大规模集成技术 ( v l s i ) 的进步，使得某些具有特殊功能的装置得以实现，即利用专用的集成电路 ( a s i c ) 去满足用户定制的要求，如t i 公司推出的t m s 3 2 0 f 2 4 x 系列产品| 6 1 - 6 3 1 等， 由于该系列产品的外设丰富而广泛地应用于交流调速系统。最近，t i 公司又推出 用于交流调速系统的t m s 3 2 0 l f 2 8 x 系列的微处理器，该系列微处理器采用3 2 位 内核，大大提高了运算速度，特别适合于对快速性和实时性要求较高的应用场合。 基十定了磁通盈转速辨龊的直接轱锋控制控制系统的研究 1 3 2 计算机仿真技术的应用 感应电机运动控制系统是一个非线性、强耦合、时变的复杂电力电子系统， 对它的研究国内外异常活跃。精确的仿真可以大量减少设计和实验模拟的费用， 从而减少产品的总体成本、缩短从构思到产品的滞后时问等。在具有快速讨算能 力的数字计算机应用之前，通常使用模拟计算机来进行仿真方面的工作。由于模 拟计算机存在不灵活、可靠性差和维护成本高等缺点，而数字仿真在计算速度、 存储容量上的快速发展加上与之相关设备价格上的优势，数字仿真正成为仿真 研究与产品丌发的主导角色。目前用于交流电机调速系统研究中最常用的仿真工 具有e m t p , m a t l a b ，s a b e r 等。 1 4 本章小结 奉章首先从整体上对交流电机的控制技术做了概述，主要l 旦l 顾了交流电机控 制系统的国内外研究现状、重点分析了了交流电机的控制策略以及交流电机的无 速度传感器控制技术：然后介绍了当前直接转矩控制技术研究热点，包括定子磁 链补偿和定子电阻辨识以及电机的转子转速辨识；最后介绍了计算机技术和仿真 技术在交流电机控制系统中的应用。 硕士学位论文 第2 章直接转矩控制的基本原理 本章首先建立了有关交流电机的数学模型及其矢量控制方程式，然后分析了 直接转矩控制的基本概念及其基本原理。这些概念包括：异步电机空间矢量等效 电路图及其模型的数学方程、逆变器的8 种开关状态和电压状态、电压空i 日j 矢量、 电压空间矢量对定子磁链、电机转矩的影响以及六边形磁链、电压空间矢量的正 确选择与磁链自控制等概念。 2 1 异步电动机的数学模型及矢量变换控制方程式 2 1 1 原型电机及其电压方程 根据机电能量转换原理，任何电机的电磁转矩都可以用气隙磁通以及定子或 转子磁势来表示，三相交流绕组可以和旋转的直流绕组等效的产生同样的磁势。 由此可见，异步电机的电磁转矩可以从等效的直流电机模型中推导出来，并按等 效的直流电机的方法加以控制。下面以双轴理论为基础推导异步电机数学模型双 轴理论的基本假定条件如下： ( 1 ) 忽略磁饱和，认为磁链、磁通、电感等都是线性的。 ( 2 ) 忽略谐波，认为磁链、磁通等在空间都成正弦分布，电流、电压、磁通 等在时间上都按正弦变化。 ( 3 ) 忽略铁损，认为合成磁势与气隙磁通同相。 对一台二极原型电机( 见图2 1 ) ，定子有两个集中绕组，其中d d 为直轴即d 轴绕组，q q 为交轴即q 轴绕组。转子上面绕有直流电机电枢那样的换向器绕组， 换向器上在交辅和直轴位置各装一对电刷。从电刷d ，d 引入电流时，由于电刷两 侧导线中电流方向不同，虽然实际导线是在旋转，但是其磁效应相当于+ 。个在d 轴上的静止绕组。同样，从电, 话t j q ，q 引入电流时，又相当于一个在q 轴上的静止 绕组。因此，这样的具有两对正交电刷的换向器绕组，可以用图2 2 中的静止绕 组d d 和q q 来等效。但是它们只能称作“伪静止绕组”，因为它们和真正的静止绕 组并不完全一样。拿等效的d d 绕组来说，当d 轴磁通中o d 变化时，就在其中感生 电压，称变压器电压u 。；同时由于它的导线实际上是在旋转的，要切割磁通，因 此还会产生速度电压u s ( 或称旋转电压) 。真正的静止绕组却不是这样，它只会有 变压器电压，而不可能产生速度电压。由此类推，凡是绕组本身在旋转，但其磁 效应在空间却有固定方向，都可用伪静l 上：绕组来表示。上述原型电机各绕组的电 基于定子磁通发转速辨识的直接转矩控制控制系统的研究 压方程为 u d = r d i d + u f d u 口= r 。i q + u ；口 u d = r a i a + u + u d u q = r g i q + u w + u q 其中： ，阮，是加在四个绕组上的电源电压。 u i d ，u i o ，u f d ，u i 。是四个绕组中的感应的变压器电压。 以凼阢。是为绕组砌，钾中产生的速度电压。 图2 1 原型电机 2 1 2 变压器电压和速度电压的表达式 圈2 2 原型电机 ( 2 1 ) 任意绕组中变压器电压等于该绕组磁链的导数，若用p 表示微分算子，有 u ，= p 妒。磁链少可用电感和电流来表示。对于同轴的两个绕组】和2 ( n 数相等) ， 其磁链分别为： lf，p：t=：lnij+心li2：i2ll2 ( 2 2 ) 【l f ，2 = + 三2 2 、7 其中：l h ，l 2 2 分别为1 和2 的自感( 全电感) ；l 1 2 为1 和2 的互感。对于换向器绕组， 磁链和磁通的关系不象集中线圈那样明显。但当绕组为均匀分布，且磁通密度按 正旋分布时，可以证明它们具有简单的正比关系： i 。= 现 1 ：z 以 ( 2 3 ) 式中z 为电枢绕组在单位弧度内的导体数。当用等效的伪静止绕组d d 和q q 来 代表换向器绕组时，磁链也可以用等效的电感系数表示。四个绕组中的感应的变 压器电压为： u d = p 中，= l ? n p i b + l p i d u f o = p 口= 口口p l 0 ，+ 工q 。q p j 9 ( 2 4 ) u